способ и устройство для измерения расходов фаз газожидкостного потока в трубопроводе с последующим измерением расходов, составляющих компонент жидкой фазы

Формула изобретения

1. Способ покомпонентного измерения расхода фаз многофазного потока в трубопроводе, отличающийся тем, что с помощью установленного в трубопроводе отборника из потока изокинетически, без изменения скоростей всех входящих в него фаз, отбирают представительную пробу, разделяют ее на жидкую и газовую фазы, определяют их расходы, и по этим расходам находят расходы газовой и жидкой фазы в целом в трубопроводе по формулам

где m_gom - расход отобранной газовой фазы,

m_fom - расход отобранной жидкой фазы,

m_g - расход газа в трубопроводе,

m_f - расход жидкости трубопроводе,

S_om - площадь входа отборника пробы,

S_m - площадь радиального сечения трубопровода;

после отстоя жидкой фазы отобранной пробы определяют границы и объемы компонентов жидкой фазы в отобранной пробе путем измерения плотностей компонентов и границ между ними с помощью емкостных датчиков, и вычисляют расходы компонентов жидкой фазы в трубопроводе по формуле

где - расход i-й компоненты жидкости в трубопроводе,

_i, _k - плотности i-й и k-й компонент отобранной жидкой фазы,

и - измеренные объемы i-ой и k-й компонент отобранной жидкой фазы после ее отстоя,

n - число компонент жидкой фазы.

2. Устройство для покомпонентного измерения расхода фаз многофазного потока в трубопроводе, отличающееся тем, что включает в себя щелевой отборник, установленный в трубопроводе навстречу потоку и выполненный в виде креста для обеспечения представительности отобранной пробы, и измерительный участок, соединенный с выходным коллектором щелевого отборника, состоящий из двух последовательно установленных сепараторов для отделения жидкой фазы от газовой с предусмотренной возможностью работы одного сепаратора при малых концентрациях жидкости в потоке, мерной емкости, установленной на тензометрических весах, позволяющих определять расход жидкой фазы в режиме изокинетического отбора пробы, и сообщенной с прозрачной градуированной трубкой, предназначенной для тарировки мерной емкости, и оснащенной емкостными датчиками для измерения плотности отдельных компонентов жидкой фазы отобранной пробы и границы между ними, а также мерной шайбы для измерения расхода газовой фазы, при этом выходные магистрали для жидкости и газа измерительного участка соединены через краны с эжектором, создающим разрежение и компенсирующим гидравлические потери измерительного участка, а на входе в измерительный участок установлен кран, выполненный с возможностью регулирования гидравлического сопротивления измерительного участка и выхода на изокинетический режим отбора пробы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода газа, конденсата и его составляющих, и воды в газовой и нефтедобывающей промышленности при добыче газа и подготовке его к транспортировке. Изобретение также может быть использовано в других отраслях промышленности, в которых осуществляется работа с многофазными потоками.

Ближайшим аналогом предлагаемому изобретению является изобретение US № 212990 A, G01F 1/74 «Способ и приспособление для определения расходов компонентов жидкостей буровых скважин» [1] имеет ряд существенных недостатков.

Отвод газожидкостной пробы путем отбора ее через отверстие перпендикулярно потоку в основном трубопроводе невозможно осуществить так чтобы проба была представительной. Возмущения, создаваемые отверстием для отбора пробы, приведут к искривлению линий тока, и линии тока газа и жидкости не совпадут между собой. Газа из потока будет отбираться больше, т.е. не пропорционально той доле, которая существует, в основном потоке жидкости будет отбираться меньше, т.к. искривления линий тока жидкости будут меньшими, чем у газа. В месте соединения основного трубопровода и расходной трубки для отбора пробы будут образовываться вихри, которые сузят проходное сечение, что также будет способствовать уменьшению расхода отбираемой пробы. Место соединения основного трубопровода и расходной трубки для отбора пробы обладает большим гидравлическим сопротивлением, возмущения, создаваемые им будут распространяться как вверх, так и вниз по потоку в основном трубопроводе и частично разрушать нефтеводяную эмульсию. Образовавшиеся при этом капли жидкости в силу своей инерционности частично пройдут мимо отверстия для отбора пробы.

Фиксированное положение входных отверстий трубок для отбора газа и жидкости из сепаратора не дает гарантии, что в них будет попадать именно та компонента, на которую она рассчитана.

В патенте [1] не приводятся диапазоны изменения концентраций жидкости и газа, при которых предлагаемое устройство работоспособно. Вместе с тем, можно предположить, что способ и устройство применимы только для малых концентраций газовой фазы, в противном случае невозможно создать нефтеводяную эмульсию.

Предлагаемые способ и устройство [1] не снимают вопроса о замене всех емкостей, подлежащих сертификации.

В рассматриваем патенте [1] не описано, как разделятся компоненты воды и нефти, входящие в жидкую фазу. Обходится молчанием, как работают входящие в предлагаемом устройстве другие агрегаты, например, это касается массового расходомера.

Автор изобретения [1] сам утверждает, что пред

лагаемый им способ и устройство рассчитаны на измерения двух компонент жидкой фазы, а, именно воды и нефти.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения расходов всех фаз, входящих в газожидкостной поток, уменьшение габаритов устройства измерения, проведение измерений без нарушения технологического процесса, возможностью работать как в автоматическом, так и в ручном режиме. При этом устраняются те недостатки, которые рассмотрены в изобретении-аналоге [1].

Поставленная цель достигается следующим образом. Через установленный в трубопроводе навстречу потоку щелевой отборник изокинетически, без создания противодавления и при сохранении скорости потока во входном участке, отбирается представительная газожидкостная проба. Представительность пробы достигается за счет формы щелевого отборника. Наиболее приемлемой представляется форма щелевого отборника, выполненная в виде креста. При такой форме щелевого отборника будут наиболее полно учитываться как неравномерность ядра потока, так и неравномерность расходов жидкой пленки на стенках трубопровода. Вместе с тем допускаются и другие формы щелевых отборников. Изокинетичность отбора газожидкостной пробы достигается за счет соединения магистрали отборника с эжектором, создающим разряжение на выходе из магистрали отбора и установкой специального крана, регулирующего сопротивление магистрали отборника газожидкостной пробы. Эжектор устанавливается в самом трубопроводе, в котором производятся измерения. Расход отбираемой газожидкостной пробы достаточно мал по сравнению с расходом газожидкостного потока в трубопроводе, и всегда можно будет создать необходимое разрежение. Так при ширине щелевого отборника, выполненного в виде креста, и имеющего ширину щели, равную 4 мм, в трубопроводе диаметром 100 мм будет отбираться 10% расхода потока. Можно на выходе из магистрали отборника установить эксгаустер, который также создаст необходимое разрежение.

Отобранная газожидкостная проба разделяется в сепараторе на жидкую и газовую фазы. Расход газовой фазы предлагается измерять с помощью предварительно протарированной мерной шайбы (сопла Вентури). Расход жидкой фазы предлагается измерять с помощью тензометрических весов, на которых устанавливается специальная мерная емкость. Определив расходы отобранной газовой фазы - m_gom, и жидкой фазы - m _fom, при известных площадях входа отборника - S _om и сечения трубопровода - S_m, расход газовой фазы - m_g, и расход жидкой фазы - m_f в трубопроводе находятся как . Соотношение расходов составляющих компонент жидкой фазы, в том числе и воды, определяются после отстоя отобранной жидкости в мерной емкости. Для этого на ней устанавливается прозрачная градуированная трубка, которая используется при ручной обработке измерений, и устанавливаются емкостные или иные датчики, позволяющие определить поверхности раздела воды и составляющих компонент конденсата, а также их плотности при автоматической обработке измерений.

Емкостные датчики установлены последовательно друг за другом, их положение известно в управляюще-измерительном блоке 24. При построении зависимости плотности жидкости по высоте измерительной емкости кривая, описывающая эту зависимость, будет иметь точки перегиба, которые и будут являться границами жидкости с различными плотностями. По этим границам определяется объем, занимаемый какой-либо составляющей отобранной компоненты жидкой фазы.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа определения расходов составляющих фаз газожидкостного потока в трубопроводе. Щелевой отборник 2, выполненный в виде креста (см. вид А), устанавливается между подводящим трубопроводом 1 и проставкой 3, за которой установлен эжектор 4, соединенный с продолжением трубопровода 5. С целью предотвращения ударного входа потока в щелевой отборник задняя стенка каждой щели отборника 2 гладко спрофилирована.

Вход в щелевой отборник 2 и выход из трубопровода 1 соединены с датчиками давления 6 и 7, показания которых дублируются манометрами 8 и 9. Сигналы с датчиков давления поступают на управляюще-измерительный блок 24, который одновременно совмещает функцию управления системой измерения и функцию вычисления при определении измеряемых параметров, и, в принципе, представляет собой компьютер с заданной программой действий. Сборный коллектор 34 отборника 2 соединен с измерительной магистралью, выходы которой через краны 32 и 33 соединены с эжектором 4. На входе в измерительную магистраль установлен кран 10, регулирующий гидравлическое сопротивление всей магистрали отбора газожидкостной пробы, которым можно управлять как с управляюще-измерительного блока 24, так и вручную. С помощью регулирующего крана 10 устанавливается давление в манометре 8 (датчике 6) такое же, как в манометре 9 (датчике 7), и этим достигается изокинетичность отбора газожидкостной пробы. За регулирующим краном 10 установлены сепараторы 11 и 12 типа гидроциклонов или иного типа. При малых концентрациях жидкости в потоке работает один сепаратор 11, при этом кран 14, установленный в магистрали отбора пробы, открыт, а кран 13, подводящий отобранную газожидкостную смесь к сепаратору 12, и кран 23 закрыты. При больших концентрациях жидкости кран 14 закрыт, а краны 13 и 23 открыты, и отобранная газожидкостная смесь дополнительно проходит через сепаратор 12.

Магистрали выхода для жидкости обоих сепараторов соединены, и за этим соединением установлена мерная емкость 26, соединенная с магистралью отбора жидкости и ее слива двумя гибкими шлангами 25 и 31, и установленная на тензометрических весах 30, сигнал с которых подается на управляюще-измерительный блок 24. Для измерения расхода жидкости вручную мерная емкость 26 соединяется с прозрачной градуированной трубкой 27. На выходе из мерной емкости 26 устанавливаются два крана 28 и 32. Кран 28 служит для дренажа мерной емкости и для ее тарировки, а кран 32 установлен на магистрали, соединяющей мерную емкость 26 с эжектором 4.

На мерной емкости 26, устанавливаются емкостные датчики 29, позволяющие определить после отстоя жидкой фазы границы раздела ее компонент и их плотности, а следовательно, соотношение расходов компонент жидкости. Емкостные датчики установлены последовательно друг за другом, их положение известно в управляюще-измерительном блоке 24. При построении зависимости плотности жидкости по высоте измерительной емкости, кривая, описывающая эту зависимость, будет иметь точки перегиба, которые и будут являться границами жидкости с различными плотностями. По этим границам определяется объем, занимаемый какой-либо составляющей отобранной компоненты жидкой фазы.

Сигнал с этих предварительно протарированных датчиков подается на управляюще-измерительный блок 24. В ручном режиме работы соотношение расходов компонент жидкости определяется визуально с помощью прозрачной градуированной трубки 27 при освещении ее монохроматическим светом под некоторым небольшим углом к ней. Вследствие различных углов преломления на границах раздела различных компонент жидкости, в том числе воды, эти границы должны четко проявиться.

На магистрали выхода газа из сепараторов устанавливается предварительно протарированная мерная шайба 15. Для измерения температуры газа перед мерной шайбой 15 устанавливается датчик температуры 16, сигнал с которого подается на управляюще-измерительный блок 24, а также на милливольтметр 17. Перед мерной шайбой измеряется также давление газа с помощью датчика давления 18, сигнал с которого поступает на управляюще-измерительный блок 24 и на милливольтметр 20. Измерение давления газа перед мерной шайбой дублируются с помощью манометра 19. Для измерения перепада давления на мерной шайбе устанавливается датчик 21, сигнал с которого поступает как на управляюще-измерительный блок 24, так и на милливольтметр 22.

Все упомянутые датчики и милливольтметры подбираются исходя из значения параметров измеряемого газожидкостного потока, соответственно, параметров отобранной пробы и необходимой точности измерения.

Работа по измерению расходов двухфазного многокомпонентного потока в трубопроводе с помощью щелевого отборника осуществляется следующим образом. Открываются краны 10 и 33 и закрывается кран 32, и с помощью программы, заложенной в компьютер управляющего измерительного блока, по сигналам с датчиков давления 6 и 7, устанавливается такое положение крана 10, чтобы давление в сечении трубопровода 1, в котором происходят измерения, и на входе в щелевой отборник 2, были одинаковыми или достаточно близкими друг к другу. При управлении краном 10 вручную равенство давлений на выходе из трубопровода и на входе в щелевой отборник можно обеспечить по показаниям манометров 8 и 9. Точки замера давления на входе в щелевой отборник 2 желательно иметь в каждой из его четырех щелей, тогда датчик давления 6 или манометр 8 покажут в случае неравномерности давления его среднее значение.

Изокинетически отобранная проба после регулирующего крана 10 поступает в сепаратор 11, в котором газовая фаза отделяется от жидкой фазы. В случае работы одного сепаратора 11 кран 14 открыт, а краны 13 и 23 закрыты. Закрытие и открытие всех кранов, приведенных на чертеже, осуществляется либо автоматически по сигналу с управляюще-измерительного блока 24 (на схеме линии подсоединения приводов всех кранов к управляющему блоку не показаны), либо вручную. Необходимость подключения второго сепаратора определяется эмпирически, т.е. производится измерение с одним сепаратором и с двумя, и если при этом результаты измерения расходов как жидкой фазы, так и газовой фазы не отличаются, то оставляют работать один сепаратор 11. При работе с двумя сепараторами кран 14 закрывается, а краны 13 и 23 открывается.

Отделенная от газа жидкость, как показано на схеме, поступает в мерную емкость 26, установленную на тензометрических весах 30, по сигналу с которых по специальной программе, заложенной в управляюще-измерительном блоке 24, определяется ее расход - m_fom в промежутке времени - _из. За это же время с помощью поплавкового датчика измеряется объем емкости, занятый жидкой фазой - V _fom.

При проведении измерений в ручном режиме с помощью градуированной трубки 27 определяется объем мерной емкости - V_fom, заполненный жидкостью за промежуток измерения - _из.

После прохождения через сепараторы отделенная газовая фаза поступает на мерную шайбу 15. На входе в мерную шайбу измеряются температура газа, его давление и перепад давления на шайбе с помощью, соответственно, датчиков 16, 18 и 21. При автоматической работе системы измерения сигналы с этих датчиков поступают в управляюще-измерительный блок 24, в котором по специальной программе с заложенными в ней тарировками датчиков определяется расход газа в отобранной пробе - m_gom. При определении расхода газовой фазы вручную все перечисленные выше параметры снимаются с милливольтметров 17, 20 и 22, и расход газа определяется по проведенным ранее тарировкам.

После определения расходов жидкости и газа в отобранной пробе определяются расходы жидкости и газа в трубопроводе по формулам (1) и (2).

Для определения расходов отдельных составляющих компонент жидкой фазы закрываются краны 10, 32 и 33, и дается некоторое время для отстоя отобранной жидкости с целью установления межфазных границ.

При автоматическом определении соотношения составляющих компонент жидкости в результате обработки показаний емкостных датчиков определяются объем мерной емкости, заполненный жидкостью после ее отстоя - V _fomc, и объемы и плотности составляющих компонент отобранной жидкости, соответственно, и _k, где k изменяется от единицы до n, а n, в свою очередь, число компонент жидкой фазы. Объем жидкости после ее отстоя, а также объемы отдельных ее составляющих, будут несколько больше тех, которые были по окончании изокинетического отбора, т.к. часть жидкости сольется в мерную емкость из проводящих трубопроводов за время выхода из изокинетического режима отбора пробы и закрытие кранов. Тогда при ранее определенном суммарном расходе жидкости в трубопроводе - m_f, расход i-той составляющей в трубопроводе определятся по формуле

В режиме визуального определения расхода отдельных компонент жидкой фазы без проведения взвешивания мерной емкости предварительно должен быть найден химический состав жидкой фазы. Тогда при известных температуре и давлении смеси жидкости будут известны и плотности ее составляющих компонент - _k. Температуру отобранной жидкой пробы можно принять равной температуре газа, определенной на предыдущем этапе, или поставить термопару в мерную емкость 26. Давление в мерной емкости 26 можно определить по показаниям щитового милливольтметра 20 или по показаниям манометра 19 при открытом кране 14. С помощью градуированной трубки 27 измеряется объем мерной емкости, занятый каждой i-ой фазой жидкости - и полный объем мерной емкости, занятый жидкостью - V _fomc.

Тогда при известном объеме - V _fom, найденном за время измерения - _из, на этапе изокинетического отбора пробы, расход каждой компоненты жидкости в трубопроводе - , рассчитывается по следующей формуле:

Суммарный расход жидкости в трубопроводе определится как

Способ определения суммарного расхода жидкой фазы путем взвешивания ее на тензометрических весах за время изокинетического режима отбора пробы является более точным, чем по формуле (5), т.к. в первом случае измерение производится с помощью достаточно точных тензометрических весов, а во втором случае с помощью емкостных датчиков, измерение с помощью которых менее точно из-за расплывчатости границ между составляющими компонентами жидкой фазы. Следует также учесть тот фактор, что при сложении расходов отдельных составляющих компонент жидкой фазы складываются и погрешности в их измерении. Вмести с тем формулу (5) следует оставить для контроля измерения расходов отдельных компонент жидкой фазы.

Предлагаемые авторами «Способ и устройство для измерения расходов фаз газожидкостного потока в трубопроводе с последующим измерением расходов составляющих компонент жидкой фазы» могут быть использованы во всей области изменения концентраций жидкой фазы, практически, до ее значений, близких к нулю. При использовании предлагаемых способа и устройства для их реализации не требуется емкостей, подлежащих сертификации.